고효율, 고속 및 내구성을 갖춘 개발 된 하이브리드 전력 반바카라 꽁 머니

고효율, 고속 및 내구성을 갖춘 하이브리드 전력 반바카라 꽁 머니 개발

2022/10/12

매우 효율적이고 빠르며 내구성이 뛰어납니다하이브리드 파워 반바카라 꽁 머니 개발 GAN 및 SIC의 특성을 활용하여 새로운 가능성 탐색

전류 켜기 및 오프를 제어하는 전력 반바카라 꽁 머니 장치는 전력 회로가있는 거의 모든 전자 장치에 설치되므로 우리의 삶에서 필수적입니다 이것이 Aist가 작업하는 것입니다전력 반바카라 꽁 머니 장치에서 전력 손실 (높은 효율), 더 빠른 (빠른) 및 더 강력한 (내구성)를 줄이기위한 연구이 세 가지 공연은 트레이드 오프 관계를 가지고 있으며 단일 자료로 모든 것을 달성하기가 매우 어렵습니다
AIST는 차세대의 유망한 자료가 될 것으로 예상질화 갈륨 (Gan) 및 실리콘 카바이드 (sic)두 특성을 모두 사용하는 하이브리드 전력 반바카라 꽁 머니그리고 2021 년세계 최초의 성공적인 운영 시연나는 그것을했다 이 성과는 가정에서 사용되는 전기 기기뿐만 아니라 전기 발전 장치, 전기 자동차 및 기차와 같은 운송 시스템 및 전력 전송 장비, 산업 장비, 드론 등과 같은 응용 프로그램에서 다양한 응용 분야에서 사용될 것으로 예상됩니다전력이 켜지거나 꺼질 때 전력 손실을 줄이고 전례없는 에너지 절약을 기대합니다이 연구는 수행 할 수 있습니다두 가지 유형의 반바카라 꽁 머니 재료를 모으는 아이디어의 트리거우리는 연구원들에게 기술 포인트와 향후 전망에 대해 물었습니다

이상은 빠르고 강력하며 전력 손실없이

우리가 일상 생활에서 사용하는 전기 제품 이 장치의 거의 모든 장치는 전원 변환을 제어하는 "전력 반바카라 꽁 머니 장치"를 사용합니다 전력 변환에는 고전압과 대형 전류를 고속 (초당 1,000 ~ 1 백만 회)으로 전환 할 수있는 스위치가 필요하므로 즉석을 클릭하여 수동으로 전환 할 수있는 기계식 스위치로 제어 할 수 없습니다 따라서, 온/오프는 반바카라 꽁 머니의 특성을 사용하여 전기 신호를 사용하여 제어된다

그러나 전기 손실은 보이지 않는 곳에서 발생합니다 AC 어댑터를 오랫동안 사용하는 열을 경험 한 적이 있습니까? 이는 어댑터의 문제가 아니라 전기 저항이 일부 전력을 열로 변환하여 전력 손실을 유발 한 결과입니다 이러한 종류의 전력 손실은 소규모 AC 어댑터뿐만 아니라 다른 전기 제품, 산업 장비 및 많은 양의 전기를 처리하는 발전소 및 변전소와 같은 대형 시설에서도 발생합니다 이를 줄임으로써 에너지 절약 및 에너지 절약에 크게 기여할 수 있으므로 전력 반바카라 꽁 머니 장치의 성능 향상에 대한 연구 개발이 전 세계적으로 수행되고 있습니다

이상적인 전력 반바카라 꽁 머니 장치는 1) 오프 스테이트의 무한 전압 저항, 2) 저항이 초전도성과 같이 초전도성과 같이 제로 인 "초고속 속도", 3) 스위치 스위칭 시간이 켜지지 않는 "초고속 속도"가있는 "초고속 속도"여야합니다 그러나 실제 전력 반바카라 꽁 머니 장치에서 ① ~ ③의 성능은 각각 사용 된 자료에 따라 유한 한 가치를 가지며이 세 가지 성능의 실현은 상충 관계와 같습니다

간과 Sic은 차세대 자료로 유망합니다

전력 반바카라 꽁 머니 장치에 대한 연구는 1960 년대 이래로 진행 중이지만 실리콘 (SI)만으로 구성된 반바카라 꽁 머니 결정은 반바카라 꽁 머니 재료로 사용되었습니다 전력 반바카라 꽁 머니 장치는 일반적으로 고전압과 큰 전류를 처리하며 최근에는 용량이 진행되었으며 SI 자체의 물리적 특성의 한계에 접근하고 있습니다 이전 트레이드 오프와 유사한 세 가지 성능 향상을 달성하기 위해 SI 이외의 재료를 사용하는 새로운 반바카라 꽁 머니 장치가 시도되었습니다

현재 전력 반바카라 꽁 머니를위한 차세대 재료의 유망한 주식은 실리콘 탄화물 (SIC), 질화 질화물 (GAN) 및 다이아몬드 (C)입니다 이들 화합물은 전자 (-) 및 구멍 (+)에 원자가 밴드에서 전도 대역으로의 전환에 필요한 에너지 (밴드 갭)를 두 배 이상 가지고 있으므로, 이들 화합물을 사용하는 반바카라 꽁 머니를 일반적으로 "넓은 밴드 갭 반바카라 꽁 머니"라고한다

현재, 와이드 밴드 갭 반바카라 꽁 머니에 대한 연구는 SIC를 사용하여 가장 진보되어 있으며, 이는 높은 전력과 높은 신뢰성을 특징으로하며 직경이 200mm 인 대형 보드는 실질적으로 사용되었으며 일본의 N700 시리즈 Shinkansen 및 Tesla와 같은 전기 자동차에 이미 설치되어 있습니다 그러나, 재료의 특성으로 인해 더 높은 속도 작동을 달성하는 데 제한이 있습니다

간은 연구하고 개발중인 차기입니다 그것은 Blue Light-emitting Diodes (LED)의 재료로 오랫동안 연구되어 왔으며 다양한 조명 소스의 흰색 LED 광원으로서 에너지 절약에 기여했습니다 최근 에이 자료에 대한 연구는 전력 반바카라 꽁 머니 장치로 진행되었으며, 많은 사람들이 아마도 랩톱 충전기 및 기타 제품의 제품 설명에서이를 보러 왔을 것입니다 이 기능은 ON 상태 및 고속 스위치 작동에서 전도 손실이 낮으며 AC 어댑터와 같은 저전력 응용 분야에서 사용됩니다 그러나 장치가 약간의 노이즈로 파괴된다는 단점이 있으므로 SIC에 비해 내구성에 여전히 문제가 있습니다

이런 식으로, 와이드 밴드 갭 반바카라 꽁 머니는 사용 된 각 재료에 대한 특성과 과제를 가지고 있으며, SI와 마찬가지로 가까운 시일 내에 성능이 제한 될 것으로 예상되었습니다

GAN-SIC 하이브리드 파워 두 재료로 만든 반바카라 꽁 머니

AIST의 Advanced Power Electronics Research Center의 전력 장치 팀은이 한도를 극복 할 연구를 수행했습니다

팀원 Nakajima Akira는 다음과 같이 되돌아 보며 다음과 같이 보았습니다 "원산지는 여러 재료를 통합하는 하이브리드 파워 반바카라 꽁 머니 장치를 만들 수 있다면 단일 재료로 불가능한 성능을 달성 할 수 있다는 간단한 아이디어였습니다" 상호 보완적인 특징을 가진 SIC 및 GAN에 초점을 맞추면서, 우리는 고속 스위칭 특성을 활용하면서 GAN에서 전도 손실이 낮고 빠른 스위칭 작업을하는 문제를 보충 할 수 있다고 가정하면서 SIC는 약간의 노이즈로 요소를 깨는 문제를 보상 할 수 있습니다

SIC와 GAN은 보완적인 특성뿐만 아니라 높은 친화력을 가지고 있습니다 위의 표를 자세히 살펴 보겠습니다 첫째, 격자 상수는 결정에서 원자의 간격을 지칭하며, 재료의 단결정을 재배하는 데 중요한 요소입니다 또한, 단열재 파괴 강도는 전기 강도 값이며, 이는 전압이 재료에 적용될 때 파손하는 데 필요한 볼륨이며, 위의 경우 Cm 당 최대 280 만 볼트를 견딜 수 있습니다 이 두 값의 동등성은 두 재료의 친화력을 증가시킵니다 SIC와 GAN은 거의 동일한 값을 보여주기 때문에, 우리는 고품질 GAN 단일 결정이 SIC 기판에서 성장하여 고성능 전력 반바카라 꽁 머니 장치를 제조 할 수 있다고 예측했다

팀은 모노리스에서 일하여 고효율과 신뢰성을 달성

당신이 "최선을 다하려고한다"고 달성하는 방법 - 기본 개념은 "모 놀리 식"입니다

모 놀리 식은 여러 장치를 하나의 견고한 질량으로 통합하는 과정이지만,이 용어는 "Monolith"라는 단어에서 비롯되며 반바카라 꽁 머니 통합 기술의 궁극적 인 형태라고 할 수 있습니다 이것이 모 놀리 식의 방법입니다 p+-타입 siC 및 n- 타입 SIC로 만들어진 다이오드 구조는 SIC 기판 상에 형성된다 또한, GAN 트랜지스터 구조는 구조 위에 제작된다 그것은 두 화합물의 단순한 쌓는 것 일뿐 만 아니라 모 놀리 식 결정으로 만들어집니다 (보도 자료 조항 2021/12/12)

"두 자료가 통합되어 있기 때문에 하나의 부분으로 기능합니다 따라서 회로를 쉽게 복잡하게 만들고 빠르게 작동하며 신뢰할 수 있습니다 예를 들어, 컴퓨터 CPU는 현재 반바카라 꽁 머니로 만들어졌으며 10 억 개의 모 놀리 식 장치가 장착되어 있습니다이 많은 사람들이 일반적으로 빠르게 무너질 것입니다 믿을 수 있는"

이 모 놀리 식 접근 방식을 실현할 때 SIC 및 GAN 전문가가 전문 지식과 경험을 충돌시킬 수 있다는 사실은 결과 제작의 주요 요인이었습니다

"우리는 '왜 우리는이 과정을 시도하지 않습니까? 그런 것을 시작하는 데 10 년이 걸릴 것입니다' 이러한 차이는 예를 들어, 결정 성장을 허용하는 노하우가 SIC에 효과적이지만, GAN에서는 서로의 차이와 아이디어를 교환하여 기울어지는 것이 거의 불가능합니다

　　지식과 경험이 다른 연구자들이 진정으로 하이브리드 방식으로 합병함에 따라 팀 자체는 모 놀리식이되었습니다

이 시간의 개념 증명으로서, 우리는 정격 전류가 약 5 Ma의 작은 트랜지스터를 개발했습니다

"현재는 프로토 타입 단계에 있으므로 5 MA에 불과하지만 지금부터는이 전력 반바카라 꽁 머니 장치의 면적을 늘리고 출력을 늘릴 것입니다 다음 단계는 10 a/3kW 출력으로 모 놀리 식 장치를 만드는 것입니다 3kW 출력을 통해 대부분의 가정용 장치가 작동 할 수 있음을 추정 할 수 있습니다 컨버터 "

가정 기기뿐만 아니라 산업 응용 분야에 대한 기대치가 높아지고 있습니다 "하이브리드 모델을 만들어 GAN만으로 도전 한 파편성을 극복 할 수 있습니다 발전, 자동차 및 기차와 같은 더 많은 내구성이 필요한 지역에 적용 할 수 있다고 생각합니다 또한 고속 및 낮은 손실의 장점은 또한 전력 크기의 미니어처에 효과적으로 사용하여 무게를 줄일 수 있습니다 Nakajima는 작은 드론 또는 로봇에 인버터가 설치되어 있습니다 "라고 Nakajima는 말합니다

반면, Nakajima는 또한 분야의 요구와 아이디어를 기대합니다 "SIC 전력 반바카라 꽁 머니는 이미 총알 열차의 힘을 전환하는 데 사용되고 있습니다 이것의 장점은 에너지 절약 일뿐입니다 컨버터를 소형화함으로써 바닥 공간과 무게에 대한 제약이 제거되어 이전에 불가능한 장비 배열을 허용합니다 이것은"표준 차량을 실현할 수있게되었다고 생각했습니다 "이 기사의 결과는 두 자료를 결합 할 수 있다면 이와 같은 장치를 만들 수 없다고 밝혔다

AIST의 프로토 타입 라인을 사용한 개방형 혁신

하이브리드 전력 반바카라 꽁 머니의 개발에는 연구 시설뿐만 아니라 프로토 타이핑 장비도 필요합니다 AIST의 중심부에 설립 된 개방형 혁신 조직인 TIA는 산업-아카데미아 정부 협력 컨소시엄 인 TPEC (Tsukuba Power Electronics Constellation)를위한 프로토 타입 전력 반바카라 꽁 머니 장치 생산 시설을 보유하고 있습니다 SIC 전원 장치의 100mm 웨이퍼 프로토 타입 장치를 사용하여 하이브리드 반바카라 꽁 머니 프로토 타입은 공유 SIC 및 GAN 프로토 타입 시설에서 수행되고 있습니다

"이러한 프로토 타입 시설이 없으면 하이브리드 반바카라 꽁 머니가 생산하기가 어렵습니다 Sic 전용 반바카라 꽁 머니 웨이퍼 프로토 타입에 사용되는 장비를 공유 할 때 오염 위험 (샘플 콘텐츠)의 지속적인 위험이 있습니다 SIC 기판에서 GAN 결정을 재배 할 때 GAN 구성 요소는 SIC를위한 불순물을 고려하지 않는 한, 우리는 이것을 잘 제어 할 수 없으며, 우리는 이것을 제어 할 수 없습니다 방법 2018 회계 연도 이후 많은 동료들과 의이 꾸준한 노력의 결과로, 우리는 하이브리드 반바카라 꽁 머니 연구에서 세계 최초의 결과를 얻을 수있었습니다 "

이 프로토 타입 시설은 이미 단일 SIC 재료로 만든 대규모 지역 전력 반바카라 꽁 머니 장치의 대량 생산을 목표로하는 제조 방법을 보여주는 많은 회사들과 공동 연구에서 경험을 쌓았습니다 이 노하우는 하이브리드 반바카라 꽁 머니의 넓은 영역에서도 활용할 수 있습니다 또한, GAN-SIC 하이브리드 전력 반바카라 꽁 머니 장치의 현재 프로토 타입의 성공은 다른 재료를 결합하거나 하이브리드 반바카라 꽁 머니를이 개념과 다른 개념으로 제조 할 수있는 가능성을 확장시켰다 이 프로토 타입 시설은 또한 연구 개발을 촉진하는 데 중요한 역할을 할 것입니다

"AIST의 프로토 타입 라인은 차세대 반바카라 꽁 머니 연구에 관심이있는 모든 국내 기업들에게 개방 된 개방형 혁신 시설입니다 자체적으로 프로토 타입 시설이 필요하지 않기 때문에 저렴한 비용으로 반바카라 꽁 머니 개발 연구를 수행 할 수 있습니다 우리는이를 최대한 활용하고 있으며,이를 최대한 활용하고 있으며, 기존의 전력 적용을 목표로하고, 기기적인 Application of Devication and Semicinduction의 목표를 달성하기 위해 노력하고 있습니다"

Nakajima는 그의 희망을 표현했지만 다음 도전을 앞두고 있습니다

"우리는 가능한 한 빨리 공개하여 외부 당사자들에 의해 우리의 연구 진행 상황을 평가할 수있게하려고합니다 앞으로, 우리는 제조에 대한 노하우를 확립하고 속도 감각으로 프로세스의 수율을 높이고, 고효율, 고속 및 내구성과 같은 하이브리드 반바카라 꽁 머니의 특성을 더욱 향상시킬 것입니다"